第四章与PLC输入输出模块连接的设备

1、1 第第4 4章章 与与PLCPLC输入输出模块连接的设备输入输出模块连接的设备 目目 标：标： 讨论基本的开讨论基本的开/ /关输入设备。关输入设备。 描述不同形式的输入设备的操作过程，如按钮、开关、选描述不同形式的输入设备的操作过程，如按钮、开关、选 择开关和限位开关。择开关和限位开关。 了解电位计、线性微分转换器（了解电位计、线性微分转换器（LTVTLTVT）、热电偶和各种其）、热电偶和各种其 他的变换器与传感器。他的变换器与传感器。 描述电机及其启动器的描述电机及其启动器的PLCPLC输出控制。输出控制。 了解输出设备，如继电器、电磁阀、气压和液压缸等。了解输出设备，如继电器、电磁阀、

2、气压和液压缸等。 描述步进电机和伺服电机的操作过程。描述步进电机和伺服电机的操作过程。 2 4.1 4.1 概述概述 这一章将介绍一些与工业这一章将介绍一些与工业PLCPLC系统相连系统相连 的典型输入输出设备。输入输出设备有很多的典型输入输出设备。输入输出设备有很多 种。读者可在本书的参考书目中找到这些相种。读者可在本书的参考书目中找到这些相 关的资料。对于每一种类型，我们只介绍一关的资料。对于每一种类型，我们只介绍一 些典型的基本设备。本章分成些典型的基本设备。本章分成4 4个部分，分别个部分，分别 为输入开关设备、模拟输入设备、输出开关为输入开关设备、模拟输入设备、输出开关 设备和模拟输

3、出设备。设备和模拟输出设备。 3 4.2 4.2 输入开关设备输入开关设备 与与PLCPLC的输入模块连接的开关类型的输入模块连接的开关类型: : M MN N A.A.NO SPSTNO SPST M MN N B.B.NC SPSTNC SPST M M N N C.C.SPDTSPDT O O M MN N D.D.DPSTDPST P PO O H.H.NONO N NM M I.I.NCNC N NM M M M N N E.E.DPDTDPDT O O Q Q R R M MN N F.F.Spring-return Spring-return SPSTSPST M M N N G

4、.G.Center OFF SPDTCenter OFF SPDT C C O O M MN N O OP P J.J.SPDTSPDT M MN N O OP P Q QR R S ST T K.K. Stacked SPDTStacked SPDT 前前7 7个是触发个是触发 开关开关 后后4 4个是按钮个是按钮 开关开关 5 输入开关设备输入开关设备一些大写字母的意思一些大写字母的意思 字母组合字母组合含义含义字母组合字母组合含义含义 NONO常开（非激励状常开（非激励状 态下）态下） SPDTSPDT单刀双单刀双 掷掷 NCNC常闭（非激励状常闭（非激励状 态下）态下） DPSTDPS

5、T双刀单双刀单 掷掷 SPSTSPST单刀单掷单刀单掷DPDTDPDT双刀双双刀双 掷掷 另一种另一种PLCPLC输入开关设备是限位开关。当限输入开关设备是限位开关。当限 位开关的机械激励器被一些部件、凸轮或其他位开关的机械激励器被一些部件、凸轮或其他 设备碰撞移位后，电气触点将从设备碰撞移位后，电气触点将从NONO转为转为NCNC或从或从 NCNC转为转为NONO。 侧边滚侧边滚 轮限位轮限位 开关开关 滑轮杆限滑轮杆限 位开关位开关 重载限制重载限制 开关开关 抖动激励抖动激励 杆触发限杆触发限 位开关位开关 7 其他通用的其他通用的PLCPLC输入的开关设备输入的开关设备 其他通用的其他

6、通用的PLCPLC输入的开关设备，其操作过输入的开关设备，其操作过 程可以在参考书中找到，这些设备是：程可以在参考书中找到，这些设备是： 压力开关压力开关位置开关位置开关 液位开关液位开关光电系统光电系统 霍尔设备霍尔设备感应开关感应开关 磁敏开关磁敏开关 8 4.3 4.3 模拟输入设备模拟输入设备 模拟输入设备能产生连续变化的输入电信号，并送到模拟输入设备能产生连续变化的输入电信号，并送到 PLCPLC的适当的输入模块。与这些模拟输入设备相对应的的适当的输入模块。与这些模拟输入设备相对应的PLCPLC输输 入模块也必须有处理模拟量信号的能力。入模块也必须有处理模拟量信号的能力。 下图所示的

7、是碳式电位计。通过轴的旋转，可以让滑动下图所示的是碳式电位计。通过轴的旋转，可以让滑动 触点沿碳素体移动。滑动触点移动时，连接到末端的电阻发触点沿碳素体移动。滑动触点移动时，连接到末端的电阻发 生变化。对于绕线式电位计，碳素体被线圈绕组取代。生变化。对于绕线式电位计，碳素体被线圈绕组取代。 转轴（控制弧转轴（控制弧 刷臂的位置）刷臂的位置） 滑动滑动 触点触点 绝缘体绝缘体 碳材料碳材料 外观图外观图 内部构造内部构造碳材料碳材料 电位计同电位计同PLCPLC的电气连接如图的电气连接如图4.4(b)4.4(b)所示。如果所示。如果PLCPLC的的 输入电压与电位计电压的输出值及其变化不匹配，在

8、电输入电压与电位计电压的输出值及其变化不匹配，在电 位计输出和位计输出和PLCPLC输入模块之间就要加电压转换器或放大器。输入模块之间就要加电压转换器或放大器。 图图4.4(c)4.4(c)给出了碳式和绕线式电位计的特征比较。给出了碳式和绕线式电位计的特征比较。 至输入至输入 模块或模块或 电压转电压转 换器换器 电位电位 计计 碳式电位计碳式电位计 线绕式电位计线绕式电位计 可达可达100m100m 有限值有限值, ,可达可达1k1k 低增益和低电能低增益和低电能 高增益和高电能高增益和高电能 连续性好连续性好 按小步长输出按小步长输出 可以是非线性可以是非线性 线性线性 低成本低成本 成本

9、高成本高 需要时效处理需要时效处理 无需时效处理无需时效处理 有烧灼斑点有烧灼斑点 可能没有烧灼斑点可能没有烧灼斑点 可变线性微分变换器（可变线性微分变换器（LVDTLVDT）如图）如图4.54.5所示。随着磁线所示。随着磁线 圈的线性移动，圈的线性移动，LVDTLVDT的的ACAC输出跟着变化，同时其输出电压输出跟着变化，同时其输出电压 VoutVout也会变化。也会变化。LVDTLVDT输出电压的变化用于指示某个经过适输出电压的变化用于指示某个经过适 当连接的设备的位置，从而能使经过精心设计的当连接的设备的位置，从而能使经过精心设计的PLCPLC输入模输入模 块能用于给块能用于给PLCPL

10、C处理器输入位置信息。处理器输入位置信息。 (a)(a)(b)(b) (c)(c)(d)(d)(e)(e) 二次绕线二次绕线1 1 输入电压输入电压 一次绕线一次绕线二次绕线二次绕线2 2 可移动磁芯可移动磁芯 绕线电压绕线电压1 1 一次绕线一次绕线 绕线电压绕线电压2 2 大移位大移位 小移位小移位 大移位大移位 小移位小移位 V Vin in 1 1 2 2 移动移动 V Vout out V Vin in V Vout out V Vin in V Vin in V Vout out V Vout out 常常需要用热电偶来为常常需要用热电偶来为PLCPLC提供控制过程的温提供控制过程

11、的温 度输入信号。热电偶的基本形式见图度输入信号。热电偶的基本形式见图4.64.6。热电。热电 偶的输出电压信号偶的输出电压信号VmVm需要经过转换处理后再传给需要经过转换处理后再传给 PLCPLC输入模块。标准热电偶的特性如图输入模块。标准热电偶的特性如图4.74.7所示。所示。 高温高温低温低温 连接口（将线连接口（将线 扭曲、一般焊扭曲、一般焊 接或对焊）接或对焊） 灵敏电压计灵敏电压计 铜线铜线环境温度上升环境温度上升 时时R R3 3电阻减少电阻减少 可变低温可变低温 高温高温低温低温 高温高温 低温低温 高温高温 金属金属A A 金属金属B B (a)(a) 金属金属A A 金属金

12、属B B (b)(b) V VM M V VM M 金属金属A A 金属金属B B A A B B V VM M R R2 2 R R3 3 R R1 1 R R4 4 (c)(c)(d)(d) 电输入变换器和传感器根据它所感应的物理变量来分类，电输入变换器和传感器根据它所感应的物理变量来分类，4 4种主要类型是：种主要类型是： 热、光、磁和机械电子式。图热、光、磁和机械电子式。图4.84.8是对本章讨论的变换器和传感器操作特性的是对本章讨论的变换器和传感器操作特性的 简单总结。简单总结。 名称名称操作原理操作原理优点优点缺点缺点 热变换器热变换器 电热调整器电热调整器电阻与温度按反方电阻与温

13、度按反方 向变化向变化 名义电阻大名义电阻大 电阻变化范围电阻变化范围 大大 价格便宜价格便宜 测量速度快测量速度快 非线性非线性 温度测量范围窄温度测量范围窄 需要电源需要电源 自发热自发热 电阻式温度检电阻式温度检 测器测器 电阻与温度同方向电阻与温度同方向 变化变化 电阻线性变化电阻线性变化 稳定性好稳定性好 精度高精度高 价格昂贵价格昂贵 电阻变化范围小电阻变化范围小 需要电源需要电源 热电偶热电偶电压或电流与温度电压或电流与温度 成正比成正比 输出近似线性输出近似线性 温度范围广温度范围广 可在高温使用可在高温使用 自供电自供电 低输出低输出 敏感性差敏感性差 需要参考电压需要参考电

14、压 名称名称操作原理操作原理优点优点缺点缺点 温度传感器温度传感器 ICIC温度传感温度传感 器器 电压或电流与绝对电压或电流与绝对 温度在数字上等温度在数字上等 效效 线性输出线性输出 体积小体积小 价格便宜价格便宜 测量速度快测量速度快 测量范围窄测量范围窄 低输出低输出 温度变送器温度变送器接受热电偶或接受热电偶或RTDRTD 的输入，输出电的输入，输出电 流与温度成正比流与温度成正比 线性输出线性输出 可远程测量可远程测量 只接受热电偶或只接受热电偶或RTDRTD 的输入的输入 光学高温计光学高温计将红外光聚集在将红外光聚集在ICIC 温度传感器的探温度传感器的探 头，输出电流与头，输

15、出电流与 温度成正比温度成正比 线性输出线性输出 可在高温使用可在高温使用 非接触测量非接触测量 价格昂贵价格昂贵 名称名称操作原理操作原理优点优点缺点缺点 光学变换器光学变换器 光敏传感器光敏传感器电阻与电磁辐射电阻与电磁辐射 （EMREMR）的密度）的密度 相反相反 电阻变化范围大电阻变化范围大响应慢响应慢 需要电源需要电源 对温度敏感对温度敏感 光电传感器光电传感器将将EMREMR转化为电流，转化为电流， 电流与电流与EMREMR密度密度 成正比成正比 自供能源自供能源 测量速度快测量速度快 低输出低输出 需要外部电源需要外部电源 光敏三极管光敏三极管将将EMREMR转化为电流并转化为电

16、流并 注入基极，该设注入基极，该设 备与典型晶体管备与典型晶体管 有同样的响应有同样的响应 敏感性好敏感性好 高输出高输出 测量速度快测量速度快 需要外部电源需要外部电源 名称名称操作原理操作原理优点优点缺点缺点 光学传感方式光学传感方式 对置式传感对置式传感ERMERM光束直接从发光束直接从发 射器到接收器，射器到接收器， 光束受阻时目标光束受阻时目标 被检测被检测 感知范围长感知范围长发射器到接收器必发射器到接收器必 须精确调整且二须精确调整且二 者要分离者要分离 回射式传感回射式传感ERMERM光束直接从发光束直接从发 射器到反射器，射器到反射器， 再回到接收器，再回到接收器， 光束受阻

17、时目标光束受阻时目标 被检测被检测 发射器和接收器发射器和接收器 必须放在相同必须放在相同 单元里单元里 感知范围限制在感知范围限制在3030 英尺，需要远距英尺，需要远距 离反射器离反射器 扩散式传感扩散式传感ERMERM光束射向作为光束射向作为 反射器的被感知反射器的被感知 物体，光束反射物体，光束反射 回接收器后物体回接收器后物体 被检测被检测 发射器和接收器发射器和接收器 必须放在相同必须放在相同 单元里，无须单元里，无须 反射器反射器 感知范围限制在感知范围限制在1010 英尺，被感知物英尺，被感知物 体必须具有反射体必须具有反射 性性 名称名称操作原理操作原理优点优点缺点缺点 磁场

18、变换器磁场变换器 感应式感应式磁场和线圈的相对磁场和线圈的相对 运动在线圈中产运动在线圈中产 生电压生电压 不需要电源不需要电源只检测运动只检测运动 磁阻式磁阻式靠近低磁阻物体改靠近低磁阻物体改 变其附近磁场，变其附近磁场， 在线圈中产生电在线圈中产生电 压压 不需要电源不需要电源只检测运动只检测运动 霍耳效应式霍耳效应式产生与磁场强度成产生与磁场强度成 正比的电压正比的电压 感知静态磁感知静态磁 场场 价格低廉价格低廉 需要外部电源需要外部电源 名称名称操作原理操作原理优点优点缺点缺点 机电变换器机电变换器 限位开关限位开关根据执行器的位置根据执行器的位置 使触点保持和断使触点保持和断 开开

19、 通常不需要外部通常不需要外部 电源，形式多电源，形式多 样样 必须与被检测目标必须与被检测目标 接触接触 电位计电位计轴运转时电刷与终轴运转时电刷与终 端之间的电阻端之间的电阻 （或电压）发生（或电压）发生 变化变化 耐用耐用需要外部电源需要外部电源 需要某种啮合需要某种啮合 和连接和连接 金属丝应力金属丝应力 计计 压缩和拉伸时应力压缩和拉伸时应力 改变改变 耐用耐用需要外部电源需要外部电源 测量系数低测量系数低 半导体应力半导体应力 计计 压缩和拉伸时应力压缩和拉伸时应力 改变改变 测量系数高测量系数高需要外部电源需要外部电源 流体传感器流体传感器 涡轮式涡轮式流体经过涡轮使叶轮旋流体经

20、过涡轮使叶轮旋 转，转动情况通过转，转动情况通过 磁力传感器检测磁力传感器检测 相对便宜相对便宜流体流动受阻流体流动受阻 涡流式涡流式流体流经旋涡脱落处，流体流经旋涡脱落处， 产生向下的旋涡，产生向下的旋涡， 合成的振动被压电合成的振动被压电 传感器检测到传感器检测到 移动部少移动部少 精度高精度高 价格高价格高 流体流动受阻流体流动受阻 传热式传热式探头加热到常温，传感探头加热到常温，传感 器测量冷却速度，器测量冷却速度， 它与流速成正比它与流速成正比 无移动部件，无移动部件， 相对便宜相对便宜 响应慢响应慢 流体流动受阻流体流动受阻 流体必须具有热流体必须具有热 传导性传导性 超声式超声式

21、声能以一定频率自下而声能以一定频率自下而 上传到流体，返回上传到流体，返回 的频率与流速成正的频率与流速成正 比比 无移动部件，无移动部件， 可通过管壁检可通过管壁检 测，流体不受阻测，流体不受阻 非常昂贵非常昂贵 磁场式磁场式流体通过磁场产生与流流体通过磁场产生与流 量成正比的电压量成正比的电压 无移动部件，相对无移动部件，相对 便宜，流体不受便宜，流体不受 阻阻 流体必须具有导电性流体必须具有导电性 液位传感器液位传感器 浮动式浮动式液位上升，浮子也上升，液位上升，浮子也上升， 使磁力或机械开关动使磁力或机械开关动 作作 价格便宜价格便宜只能测量液体只能测量液体 传导式传导式 探头探头 液

22、体上升接触到探头，在液体上升接触到探头，在 输出端产生电流输出端产生电流 无移动部件，价无移动部件，价 格便宜格便宜 只能测量液体，流只能测量液体，流 体必须具有导电体必须具有导电 性性 超声接超声接 触式触式 声能直接通过一缝隙到达声能直接通过一缝隙到达 接收器，缝隙中的流接收器，缝隙中的流 体完成传输过程体完成传输过程 无移动部件，能无移动部件，能 检测任何流体检测任何流体 价格高价格高 超声非超声非 接触接触 式式 声能通过传输表面检测，声能通过传输表面检测， 返回时间取决于表面返回时间取决于表面 离检测点的距离离检测点的距离 无移动部件，不无移动部件，不 需要接触表面，需要接触表面，

23、能检测绝对高能检测绝对高 度度 价格昂贵价格昂贵 接近式接近式振荡器频率改变指示目标振荡器频率改变指示目标 的临近，当其改变频的临近，当其改变频 率时，产生输出率时，产生输出 无移动部件无移动部件测量范围限制在测量范围限制在10 10 cmcm 20 4.4 4.4 输出开关设备输出开关设备 PLCPLC的输出模块与无数的开关电气设备相连。的输出模块与无数的开关电气设备相连。 一种主要的形式是电磁阀，如图一种主要的形式是电磁阀，如图4.94.9所示。电磁阀所示。电磁阀 的执行塞被一个弹簧顶着，并位于盒中。当线圈加的执行塞被一个弹簧顶着，并位于盒中。当线圈加 电时，执行塞向下。执行塞与各种形式的

24、机械设备电时，执行塞向下。执行塞与各种形式的机械设备 相连。一般用途是流体开关控制，如火炉中的气体相连。一般用途是流体开关控制，如火炉中的气体 控制阀。机械负载能力随电磁阀的尺寸而不同，一控制阀。机械负载能力随电磁阀的尺寸而不同，一 般从般从1 1盎司到盎司到100100磅磅。 1 1盎司盎司 28.35 g 28.35 g，1 1磅磅 453.59 g 453.59 g。 活塞活塞 至执行机构至执行机构 上端上端 下端下端 电气接线端电气接线端 弹簧弹簧 框架框架 线圈线圈 (b) (b) 电磁阀执行机构剖面图电磁阀执行机构剖面图 电磁阀的另一种用途是方向控制，图电磁阀的另一种用途是方向控制

25、，图4.104.10给出了其中的给出了其中的 一种。这种电磁阀既可以检测液体也可以检测气体。它使用一种。这种电磁阀既可以检测液体也可以检测气体。它使用 了两个电磁阀，当一个电磁阀动作时，阀打开，流体往一个了两个电磁阀，当一个电磁阀动作时，阀打开，流体往一个 方向流动。两个电磁阀关闭时，活塞就停在中间位置，无流方向流动。两个电磁阀关闭时，活塞就停在中间位置，无流 体通过。当汽缸运动到中间或两端时，必须有一个通道让活体通过。当汽缸运动到中间或两端时，必须有一个通道让活 塞后面的液体排出。塞后面的液体排出。 电磁阀指示灯电磁阀指示灯 电磁阀电磁阀 安装面板安装面板 阀体阀体 剖面图剖面图 磁铁托架磁

26、铁托架 线圈线圈 磁铁磁铁 推杆执行器推杆执行器 聚丙烯聚丙烯 酸填料酸填料 磁铁磁铁 铜接线端子铜接线端子 接触杆外壳接触杆外壳 分叉可分叉可 移动触点移动触点 齿状静齿状静 止触点止触点 拉杆拉杆 红色指示器红色指示器 护罩护罩 护罩护罩MTGMTG螺栓螺栓 杆件末杆件末 端螺栓端螺栓 后盖板后盖板 MTGMTG螺栓螺栓 后盖板壳体后盖板壳体 线圈端子线圈端子 基座基座 上部槽形孔上部槽形孔 图图4.114.11显示了一种机械电子式继电器，这是另显示了一种机械电子式继电器，这是另 一种由一种由PLCPLC模块控制的通用开关设备。输出模块与模块控制的通用开关设备。输出模块与 继电器线圈相连，

27、继电器线圈得电，使触点打开继电器线圈相连，继电器线圈得电，使触点打开 和关闭，这些触点控制其他的电路。和关闭，这些触点控制其他的电路。 24 继电器的好处：继电器的好处： 与将输出模块直接与电气线路相连接的方法相与将输出模块直接与电气线路相连接的方法相 比，使用继电器的好处是：（比，使用继电器的好处是：（1 1）继电器能够控制）继电器能够控制 多个线路，可以是多个线路，可以是NONO，也可以是，也可以是NCNC；（；（2 2）继电器）继电器 接触电路在电气上与输出模块电路隔离；（接触电路在电气上与输出模块电路隔离；（3 3）与）与 输出模块相比，继电器接触器可以控制更大的电流，输出模块相比，继

28、电器接触器可以控制更大的电流， 并可在更高的电压下工作。能处理高电流的继电器并可在更高的电压下工作。能处理高电流的继电器 称为接触器。称为接触器。 25 4.5 4.5 模拟输出设备模拟输出设备 有许多类型的电气设备可由有许多类型的电气设备可由PLCPLC通过其输出模块进行控制。通过其输出模块进行控制。 这一节介绍两种模拟输出设备，即步进电机（见图这一节介绍两种模拟输出设备，即步进电机（见图4.154.15）和）和 伺服电机（见图伺服电机（见图4.164.16）。步进电机的转动位置受其输入控制。）。步进电机的转动位置受其输入控制。 每当步进电机接收到一个输入脉冲时，步进电机就转动一定每当步进电机接收到一个输入脉冲时，步进电机就转动一定 的角度。每个脉冲的角度。每个脉冲/ /步进的角度（例如，步进的角度（例如，2.52.5、1 1等）取等）取 决于步进电机的型号。有一种微步进电机，各步之间